Biomécanique du mouvement : forces, leviers et équilibre : fiche de révision
Lois de Newton, poids et réaction du sol, centre de gravité, polygone de sustentation, moments de force et trois genres de leviers : la fiche de biomécanique pour le partiel de L1 STAPS.
1Les trois lois de Newton appliquées au sport
La biomécanique applique les lois de la mécanique au corps humain. La cinématique décrit le mouvement (position, vitesse, accélération) sans s'occuper de ses causes ; la cinétique étudie les forces qui le produisent. Une force est une action capable de modifier l'état de repos ou de mouvement d'un corps, ou de le déformer. Elle se représente par un vecteur (point d'application, direction, sens, intensité) et se mesure en newtons (N).
Première loi, le principe d'inertie : si la somme des forces extérieures est nulle, un corps reste au repos ou en mouvement rectiligne uniforme. Deuxième loi, le principe fondamental de la dynamique : la somme des forces extérieures est égale à la masse multipliée par l'accélération du centre de gravité (somme des F = m × a). Troisième loi, le principe des actions réciproques : si un corps A exerce une force sur un corps B, B exerce sur A une force de même intensité, de même direction et de sens opposé. C'est ce qui explique la course et le saut : l'athlète pousse sur le sol, et c'est la réaction du sol qui l'accélère.
2Forces, poids et centre de gravité
On distingue les forces internes au système étudié (forces musculaires, tensions des tendons et des ligaments) et les forces externes : le poids, la réaction du sol, les frottements, la résistance de l'air ou de l'eau. Seules les forces externes peuvent modifier le mouvement du centre de gravité du corps. Le poids est la force exercée par la Terre : P = m × g, avec g voisin de 9,81 m/s². Ne confonds pas la masse, en kilogrammes, qui ne change pas, et le poids, en newtons : un athlète de 70 kg pèse environ 687 N.
Le centre de gravité est le point où s'applique le poids. Chez une personne debout en position anatomique, il se situe dans le bassin, un peu au-dessus de la mi-hauteur du corps. Il n'est pas fixe : il se déplace dès qu'un segment bouge, et peut même se trouver hors du corps, comme dans le franchissement dorsal en saut en hauteur. Pendant une phase aérienne, si l'on néglige la résistance de l'air, la trajectoire du centre de gravité est une parabole fixée au moment du décollage : les gestes réalisés en l'air modifient la position des segments, pas cette trajectoire.
3Moments de force, leviers et équilibre
Une force appliquée à distance d'un axe tend à faire tourner : c'est son moment. Moment = force × bras de levier, où le bras de levier est la distance perpendiculaire entre l'axe et la ligne d'action de la force ; il s'exprime en newtons-mètres (N·m). Un segment est en équilibre de rotation quand la somme des moments est nulle. Dans le corps, l'os est le levier, l'articulation le point d'appui, le muscle la force motrice et la charge la résistance. Levier du premier genre (inter-appui) : l'appui est entre la force et la résistance, comme la tête en équilibre sur la colonne. Deuxième genre (inter-résistant) : la résistance est entre l'appui et la force, comme la montée sur la pointe des pieds. Troisième genre (inter-moteur) : la force est entre l'appui et la résistance, comme la flexion du coude par le biceps brachial.
Le levier du troisième genre est le plus répandu dans le corps : le muscle s'insère près de l'articulation, ce qui le désavantage en force mais favorise l'amplitude et la vitesse à l'extrémité du segment. Côté équilibre, un corps est en équilibre statique quand la verticale passant par son centre de gravité tombe à l'intérieur du polygone de sustentation, la surface délimitée par les appuis. La stabilité augmente quand ce polygone s'élargit, quand le centre de gravité s'abaisse et quand sa projection se rapproche du centre du polygone.
4Pièges du partiel et méthode de révision
Premier piège : confondre masse et poids, ou oublier de multiplier par g. Deuxième piège : mal lire la troisième loi. L'action et la réaction s'exercent sur deux corps différents, elles ne s'annulent donc pas. Troisième piège : prendre pour bras de levier la longueur du segment au lieu de la distance perpendiculaire à la ligne d'action de la force. Quatrième piège : affirmer qu'un sauteur peut modifier la trajectoire de son centre de gravité en gesticulant en l'air. Enfin, pour classer un levier, cherche toujours l'élément situé au milieu : appui, résistance ou force.
La biomécanique se révise en faisant des exercices, pas en relisant. Pour chaque situation, suis la même démarche : définir le système, faire le bilan des forces externes, tracer le schéma avec les vecteurs, écrire la loi utilisée, puis calculer en vérifiant les unités (N, kg, m, s). Entraîne-toi sur des cas types : calcul d'un poids, d'un moment de force, de la force musculaire nécessaire pour tenir une charge à l'équilibre, comparaison de la stabilité de deux postures.
Définitions à connaître par cœur
Quiz : teste-toi sur biomécanique du mouvement : forces, leviers et équilibre
8 questions corrigées. Réponds avant d'ouvrir la correction !
1. Quelle loi de Newton s'écrit « somme des forces = m × a » ?
- A.La première loi (inertie)
- B.La deuxième loi (principe fondamental de la dynamique)
- C.La troisième loi (actions réciproques)
- D.La loi de la gravitation
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Réponse : B. La deuxième loi (principe fondamental de la dynamique)
La deuxième loi relie la somme des forces extérieures à l'accélération du centre de gravité.
2. Quel est le poids approximatif d'un athlète de 70 kg ?
- A.70 N
- B.7 N
- C.687 N
- D.6 870 N
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Réponse : C. 687 N
P = m × g = 70 × 9,81, soit environ 687 N.
3. En quelle unité s'exprime un moment de force ?
- A.En N·m
- B.En newtons
- C.En joules par seconde
- D.En kg·m
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Réponse : A. En N·m
Un moment est le produit d'une force (N) par une distance (m).
4. La flexion du coude par le biceps brachial est un levier…
- A.du premier genre (inter-appui)
- B.du deuxième genre (inter-résistant)
- C.sans point d'appui
- D.du troisième genre (inter-moteur)
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Réponse : D. du troisième genre (inter-moteur)
La force musculaire s'applique entre l'appui (le coude) et la résistance (la charge dans la main).
5. Une force de 200 N s'applique avec un bras de levier de 0,3 m. Son moment vaut…
- A.6 N·m
- B.60 N·m
- C.600 N·m
- D.666 N·m
Voir la réponse
Réponse : B. 60 N·m
Moment = force × bras de levier = 200 × 0,3 = 60 N·m.
6. Un corps est en équilibre statique quand la projection de son centre de gravité…
- A.est la plus haute possible
- B.sort du polygone de sustentation
- C.coïncide avec son nombril
- D.tombe dans le polygone de sustentation
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Réponse : D. tombe dans le polygone de sustentation
Si la verticale du centre de gravité sort de la surface d'appui, le corps bascule.
7. Selon la troisième loi de Newton, l'action et la réaction…
- A.s'exercent sur deux corps différents
- B.s'exercent sur le même corps et s'annulent
- C.ont des intensités différentes
- D.ont le même sens
Voir la réponse
Réponse : A. s'exercent sur deux corps différents
Elles ont même intensité et sens opposés, mais s'appliquent à deux corps distincts : elles ne s'annulent pas.
8. Pendant la phase aérienne d'un saut (résistance de l'air négligée), le sauteur…
- A.peut allonger la trajectoire de son centre de gravité en pédalant
- B.n'est plus soumis à aucune force
- C.ne peut jamais modifier la trajectoire de son centre de gravité
- D.voit son poids diminuer
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Réponse : C. ne peut jamais modifier la trajectoire de son centre de gravité
La trajectoire parabolique est fixée au décollage ; seul le poids agit, et les gestes en l'air ne déplacent que les segments.
Questions fréquentes
Quelle différence entre masse et poids ?
La masse est une quantité de matière, en kilogrammes, identique partout. Le poids est une force, en newtons, égale à la masse multipliée par l'accélération de la pesanteur (environ 9,81 m/s² sur Terre).
Comment reconnaître le genre d'un levier ?
Repère l'élément placé au milieu. Si c'est l'appui, levier du premier genre ; si c'est la résistance, deuxième genre ; si c'est la force motrice, troisième genre. Dans le corps humain, le troisième genre est le plus fréquent.
Comment augmenter sa stabilité ?
En élargissant le polygone de sustentation (écarter les appuis), en abaissant le centre de gravité (fléchir les jambes) et en gardant sa projection près du centre des appuis. C'est la logique de la garde en sports de combat.
Comment réviser la biomécanique en L1 STAPS ?
En refaisant les exercices de TD avec une démarche fixe : système, bilan des forces, schéma, loi, calcul, unités. Complète avec des flashcards de définitions et de formules pour gagner du temps le jour du partiel.